DE102017112256A1 - METHOD FOR DETECTING A CONTACT ERROR IN A PHOTOVOLTAIC SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Beschrieben ist ein Verfahren zur Erkennung eines Kontaktfehlers in einer Photovoltaikanlage (10), die einen Wechselrichter (13) und einen über Gleichstromleitungen (12a, 12b) mit dem Wechselrichter (13) verbundenen Photovoltaikgenerator (11) umfasst, wobei der Wechselrichter (13) Einkoppelmittel (15) zum Einkoppeln eines ersten Wechselspannungssignals mit Kommunikationsfrequenzen (31) in einem ersten Frequenzbereich zwischen 125 und 150 kHz in die Gleichstromleitungen (12a, 12b) umfasst und mittels des ersten Wechselspannungssignals mit dem Photovoltaikgenerator (11) kommuniziert. An dem Photovoltaikgenerator (11) ist ein Auskoppelmittel (16) zum Auskoppeln des ersten Wechselspannungssignals und zwischen dem Wechselrichter (13) und dem Photovoltaikgenerator (11) ein Entkoppelmittel (19) zur Entkoppelung der Impedanz des Photovoltaikgenerators (11) angeordnet, so dass der Photovoltaikgenerator (11) von einer Übertragungsstrecke zwischen Wechselrichter (11) und Entkoppelmittel (19) entkoppelt ist. Wechselströme in und Wechselspannungen zwischen den Gleichstromleitungen (12a, 12b) werden gemessen, um einen Impedanzverlauf zu bestimmen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Einkoppelmittels (15) ein zweites Wechselspannungssignal mit Messfrequenzen (32) erzeugt wird, wobei mittels des zweiten Wechselspannungssignals und der gemessenen Wechselströme ein frequenzabhängiger Impedanzverlauf (30) in einem zweiten Frequenzbereich zwischen 50 kHz und 350 kHz, bevorzugt zwischen 75 kHz und 200 kHz bestimmt wird, wobei der zweite Frequenzbereich den ersten Frequenzbereich umfasst, und dass ein Kontaktfehler in der Photovoltaikanlage (10) mittels einer Analyse des frequenzabhängigen Impedanzverlaufes (30) erkannt wird. Das Verfahren kann in einem Wechselrichter (13) ausgeführt werden. Eine Photovoltaikanlage (10) kann einen solchen Wechselrichter (13) aufweisen.What is described is a method for detecting a contact fault in a photovoltaic system (10) which comprises an inverter (13) and a photovoltaic generator (11) connected via DC lines (12a, 12b) to the inverter (13), wherein the inverter (13) is coupling means (15) for coupling a first alternating voltage signal with communication frequencies (31) in a first frequency range between 125 and 150 kHz in the DC lines (12a, 12b) and communicates by means of the first AC voltage signal to the photovoltaic generator (11). On the photovoltaic generator (11) a decoupling means (16) for decoupling the first alternating voltage signal and between the inverter (13) and the photovoltaic generator (11) decoupling means (19) for decoupling the impedance of the photovoltaic generator (11) is arranged, so that the photovoltaic generator (11) is decoupled from a transmission path between the inverter (11) and decoupling means (19). AC currents in and AC voltages between the DC lines (12a, 12b) are measured to determine an impedance characteristic. The method is characterized in that a second alternating voltage signal having measuring frequencies (32) is generated by means of the coupling-in means, whereby a frequency-dependent impedance characteristic (30) in a second frequency range between 50 kHz and 350 kHz, preferably between 75 kHz and 200 kHz is determined, wherein the second frequency range includes the first frequency range, and that a contact error in the photovoltaic system (10) by means of an analysis of the frequency-dependent impedance curve (30) is detected. The method can be carried out in an inverter (13). A photovoltaic system (10) may have such an inverter (13).
Description
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikanlage, die zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Wechselspannungsnetz eingerichtet ist, einen Wechselrichter für eine Photovoltaikanlage, sowie eine solche Photovoltaikanlage.The invention relates to a method for operating a photovoltaic system, which is set up for supplying electrical power to an AC voltage network, an inverter for a photovoltaic system, as well as such a photovoltaic system.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Ein Kontaktfehler in einem Gleichstromkreis einer Photovoltaikanlage kann eine erhebliche Erwärmung der Umgebung der Fehlerstelle hervorrufen und zu einer Lichtbogenbildung führen. Neben einem Funktionsausfall, insbesondere einer Unterbrechung des Gleichstromkreises, können dadurch hohe Schäden hervorgerufen werden, und im Extremfall kann ein Brand der Photovoltaikanlage entstehen. Um dieses Risiko zu minimieren, sind verschiedene Verfahren zur frühzeitigen Erkennung eines Kontaktfehlers bekannt.A contact fault in a DC circuit of a photovoltaic system can cause significant heating of the environment of the fault and lead to arcing. In addition to a malfunction, in particular an interruption of the DC circuit, thereby high damage can be caused, and in extreme cases may cause a fire of the photovoltaic system. To minimize this risk, various methods for the early detection of a contact error are known.
Grundsätzlich zeichnet sich ein Kontaktfehler durch eine Änderung des Serienwiderstandes des betroffenen Bauteiles aus. Daher basieren viele der bekannten Verfahren zur Kontaktfehlererkennung auf einer Modellierung und Analyse der Impedanz des Gleichstromkreises der Photovoltaikanlage. Zur Gesamtimpedanz des Gleichstromkreises trägt eine Reihe von Komponenten des Gleichstromkreises bei, darunter insbesondere die Gleichstromleitungen und die Photovoltaikgeneratoren selbst. Darüber hinaus sind die Impedanzen mancher dieser Komponenten temperaturabhängig, und die Impedanz der Photovoltaikgeneratoren unterliegt Alterungseffekten, insbesondere der sogenannten potential-induzierten Degradation, durch die eine Impedanzänderung hervorgerufen werden kann, die einer durch einen Kontaktfehler hervorgerufenen Impedanzänderung stark ähnelt. Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren liegt in der Beeinflussung der Impedanzanalyse durch den Betrieb der Photovoltaikanlage, so dass die bekannten Verfahren nur in Zeiten ohne solare Einstrahlung auf die Photovoltaikgeneratoren ausgeführt werden können, insbesondere also nur nachts. Dabei ist zu beachten, dass in diesen Zeiten keine Leistung aus den Photovoltaikgeneratoren zur Verfügung steht, so dass eine zusätzliche Energiequelle zur Durchführung der bekannten Verfahren zur Kontaktfehlererkennung bereitgestellt werden muss.Basically, a contact fault is characterized by a change in the series resistance of the affected component. Therefore, many of the known methods for contact fault detection are based on modeling and analyzing the impedance of the DC circuit of the photovoltaic system. In addition, the impedances of some of these components are temperature-dependent, and the impedance of the photovoltaic generators is subject to aging effects, in particular the so-called potential-induced degradation, by means of the DC impedance an impedance change can be caused which is very similar to a change in impedance caused by a contact error. Another disadvantage of the known method is the influence of the impedance analysis by the operation of the photovoltaic system, so that the known methods can be performed only in times without solar irradiation on the photovoltaic generators, in particular only at night. It should be noted that no power from the photovoltaic generators is available in these times, so that an additional energy source for performing the known method for contact fault detection must be provided.
Aus der
Aus der
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erkennen eines Kontaktfehlers in einer Photovoltaikanlage, einen Wechselrichter für eine Photovoltaikanlage und eine damit ausgerüstete Photovoltaikanlage bereitzustellen, so dass die Brandsicherheit verbessert und das Monitoring von Photovoltaikanlagen einfacher und robuster als mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ausgeführt werden kann.The invention has for its object to provide a method for detecting a contact failure in a photovoltaic system, an inverter for a photovoltaic system and a photovoltaic system equipped with it, so that improved fire safety and monitoring of photovoltaic systems simpler and more robust than with known from the prior art Procedure can be performed.
LÖSUNGSOLUTION
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Erkennen eines Kontaktfehlers in einer Photovoltaikanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Wechselrichter gemäß Anspruch 5, sowie durch eine Photovoltaikanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.The object is achieved by a method for detecting a contact fault in a photovoltaic system with the features of patent claim 1, an inverter according to claim 5, and by a photovoltaic system with the features of claim 7. Preferred embodiments are defined in the dependent claims.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erkennung eines Kontaktfehlers in einer Photovoltaikanlage umfasst die Photovoltaikanlage einen Wechselrichter und einen über Gleichstromleitungen mit dem Wechselrichter verbundenen Photovoltaikgenerator. Der Wechselrichter umfasst Einkoppelmittel zum Einkoppeln eines ersten Wechselspannungssignals mit Kommunikationsfrequenzen in einem ersten Frequenzbereich zwischen 125 und 150 kHz in die Gleichstromleitungen. Mittels des ersten Wechselspannungssignals kommuniziert der Wechselrichter mit dem Photovoltaikgenerator, wobei an dem Photovoltaikgenerator ein Auskoppelmittel zum Auskoppeln des ersten Wechselspannungssignals angeordnet ist, so dass der Photovoltaikgenerator von einer Übertragungsstrecke zwischen Wechselrichter und dem Entkoppelmittel entkoppelt ist. Weiterhin ist zwischen dem Wechselrichter und dem Photovoltaikgenerator ein Entkoppelmittel zur Entkoppelung der Impedanz des Photovoltaikgenerators angeordnet, und es werden Wechselströme in und Wechselspannungen zwischen den Gleichstromleitungen gemessen.In a method according to the invention for detecting a contact fault in a photovoltaic system, the photovoltaic system comprises an inverter and a photovoltaic generator connected via DC lines to the inverter. The inverter includes coupling means for coupling a first AC signal having communication frequencies in a first frequency range between 125 and 150 kHz into the DC lines. By means of the first alternating voltage signal, the inverter communicates with the photovoltaic generator, wherein at the photovoltaic generator a decoupling means for Decoupling of the first alternating voltage signal is arranged, so that the photovoltaic generator is decoupled from a transmission path between the inverter and the decoupling means. Furthermore, a decoupling means for decoupling the impedance of the photovoltaic generator is arranged between the inverter and the photovoltaic generator, and alternating currents are measured in and AC voltages between the DC lines.
Mittels des Einkoppelmittels wird ein zweites Wechselspannungssignal mit Messfrequenzen erzeugt, wobei mittels des zweiten Wechselspannungssignals und der gemessenen Wechselströme ein frequenzabhängiger Impedanzverlauf in einem zweiten Frequenzbereich zwischen 50 kHz und 350 kHz, bevorzugt zwischen 75 kHz und 200 kHz bestimmt wird, und wobei der zweite Frequenzbereich den ersten Frequenzbereich umfasst. Abschließend wird ein Kontaktfehler in der Photovoltaikanlage mittels einer Analyse des Impedanzverlaufes erkannt.By means of the coupling means, a second alternating voltage signal is generated with measuring frequencies, wherein by means of the second alternating voltage signal and the measured alternating currents, a frequency-dependent impedance characteristic in a second frequency range between 50 kHz and 350 kHz, preferably between 75 kHz and 200 kHz is determined, and wherein the second frequency range the includes first frequency range. Finally, a contact error in the photovoltaic system is detected by means of an analysis of the impedance curve.
Durch das Einbringen des Entkoppelmittels zwischen den Wechselrichter und den Photovoltaikgenerator, sowie aufgrund von Resonanzeigenschaften des Auskoppelmittels ergibt sich in dem ersten Frequenzbereich zwischen 125 und 150 kHz ein definierter Verlauf der Impedanz der Übertragungsstrecke zwischen dem Einkoppelmittel und dem Auskoppelmittel. Dieser definierte Verlauf der Impedanz wird dazu genutzt, einen stabilen Kommunikationskanal zwischen dem Wechselrichter und dem Photovoltaikgenerator bereitzustellen.By introducing the decoupling means between the inverter and the photovoltaic generator, as well as due to resonant properties of the decoupling results in the first frequency range between 125 and 150 kHz, a defined course of the impedance of the transmission path between the coupling means and the decoupling means. This defined course of the impedance is used to provide a stable communication channel between the inverter and the photovoltaic generator.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der definierte Verlauf der Impedanz erhebliche Vorteile bietet, die über die Bereitstellung des stabilen Kommunikationskanals hinausgehen. Insbesondere liegen der erste und der zweite Frequenzbereich deutlich unterhalb von Frequenzbereichen, in denen die Gleichstromleitungen zwischen Wechselrichter und Photovoltaikgenerator üblicherweise Resonanzeffekte hervorrufen; letztere liegen in der Regel deutlich oberhalb von 300 kHz. Darüber hinaus wirkt das Entkoppelmittel als Bypass für die Wechselspannungssignale, so dass diese den Photovoltaikgenerator nicht erreichen und etwaige Resonanzeffekte des Photovoltaikgenerators keinen Einfluss auf die Übertragungsstrecke zwischen Einkoppelmittel und Auskoppelmittel haben. Die Impedanz des Photovoltaikgenerators wird durch das Entkoppelmittel wirksam von der Übertragungsstrecke zwischen Wechselrichter und Entkoppelmittel abgeschirmt.The invention is based on the recognition that the defined course of the impedance offers considerable advantages, which go beyond the provision of the stable communication channel. In particular, the first and the second frequency range are well below frequency ranges in which the DC lines between the inverter and photovoltaic generator usually cause resonance effects; the latter are usually well above 300 kHz. In addition, the decoupling acts as a bypass for the AC signals so that they do not reach the photovoltaic generator and any resonance effects of the photovoltaic generator have no effect on the transmission path between coupling and decoupling. The impedance of the photovoltaic generator is effectively shielded by the decoupling of the transmission path between the inverter and decoupling.
Somit ist der Verlauf der Impedanz im zweiten Frequenzbereich zwischen 50 kHz und 350 kHz und insbesondere zwischen 75 kHz und 200 kHz nahezu ausschließlich durch die Leitungsimpedanzen der Gleichstromleitungen sowie etwaige Serienimpedanzen von Kontaktstellen in der Strecke vom Wechselrichter über die Gleichstromleitungen zum Entkoppelmittel bestimmt. Dieser Verlauf der Impedanz im zweiten Frequenzbereich ist insbesondere in Abwesenheit von Kontaktstellen weitgehend konstant und insbesondere nicht durch temperatur-, einstrahlungs- oder lastabhängige Impedanzen des Photovoltaikgenerators oder Resonanzstellen der Gleichstromleitungen beeinflusst.Thus, the course of the impedance in the second frequency range between 50 kHz and 350 kHz and in particular between 75 kHz and 200 kHz almost exclusively determined by the line impedances of the DC lines and any series impedances of contact points in the distance from the inverter via the DC lines to the decoupling. This course of the impedance in the second frequency range is largely constant, in particular in the absence of contact points, and in particular is not influenced by temperature, radiation or load-dependent impedances of the photovoltaic generator or resonance points of the DC lines.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft mit einem an sich bekannten Verfahren zur Impedanzspektroskopie kombiniert werden, wie es beispielsweise aus der
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter umfasst eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Dazu umfasst der Wechselrichter ein Einkoppelmittel zum Einkoppeln eines ersten Wechselspannungssignals mit Kommunikationsfrequenzen in einem ersten Frequenzbereich zwischen 125 und 150 kHz in die Gleichstromleitungen, so dass der Wechselrichter in der Lage ist, mittels des ersten Wechselspannungssignals mit dem Photovoltaikgenerator zu kommunizieren. Weiterhin umfasst der Wechselrichter Strom- und Spannungssensoren zur Messung eines Stromes in beziehungsweise einer Spannung zwischen Gleichstromleitungen, die an Gleichstromanschlüssen des Wechselrichters angeschlossen sind.An inverter according to the invention comprises a controller which is set up to carry out the method according to the invention. For this purpose, the inverter comprises a coupling means for coupling a first alternating voltage signal with communication frequencies in a first frequency range between 125 and 150 kHz in the DC lines, so that the inverter is able to communicate with the photovoltaic generator by means of the first AC voltage signal. Furthermore, the inverter comprises current and voltage sensors for measuring a current in or between DC lines which are connected to DC terminals of the inverter.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Wechselrichter Anschlüsse zum Anschluss mehrerer Photovoltaikgeneratoren, wobei die Photovoltaikgeneratoren innerhalb des Wechselrichters oder in einer zum Wechselrichter gehörigen Anschlusseinheit parallel geschaltet sind. Dabei ist jedem Photovoltaikgenerator je ein Strommessmittel innerhalb der Wechselrichters oder der Anschlusseinheit zugeordnet. Das Einkoppelmittel jedoch ist innerhalb des Wechselrichters oder der Anschlusseinheit derart zentral angeordnet, dass das erste und das zweite Wechselspannungssignal im Betrieb des Wechselrichters gleichzeitig in die zu den parallel geschalteten Photovoltaikgeneratoren führenden Gleichstromleitungen eingekoppelt wird. Dadurch wird es besonders einfach, die Erkennung von Kontaktfehlern für eine Anzahl separat angeschlossener Photovoltaikgeneratoren durchzuführen, ohne für jeden der Photovoltaikgeneratoren ein eigenes Einkoppelmittel vorsehen zu müssen, wie es bei herkömmlichen Wechselrichtern und entsprechenden Verfahren notwendig ist.In one embodiment of the invention, the inverter comprises connections for connecting a plurality of photovoltaic generators, wherein the photovoltaic generators are connected in parallel within the inverter or in a connection unit belonging to the inverter. In this case, each photovoltaic generator is assigned a respective current measuring means within the inverter or the connection unit. However, the coupling means is arranged centrally within the inverter or the connection unit such that the first and the second alternating voltage signal is simultaneously coupled into the direct current lines leading to the parallel-connected photovoltaic generators during operation of the inverter. This makes it particularly easy to detect contact errors for a number separately connected photovoltaic generators without having to provide for each of the photovoltaic generators own launching means, as is necessary in conventional inverters and corresponding methods.
Eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage umfasst einen Photovoltaikgenerator, ein Auskoppelmittel zum Auskoppeln des ersten Wechselspannungssignals, einen Wechselrichter mit den oben genannten erfindungsgemäßen Merkmalen sowie ein Entkoppelmittel zur Entkoppelung der Impedanz des Photovoltaikgenerators von einer Übertragungsstrecke zwischen Wechselrichter und Entkoppelmittel.A photovoltaic system according to the invention comprises a photovoltaic generator, a decoupling means for decoupling the first AC voltage signal, an inverter having the above features according to the invention and a decoupling means for decoupling the impedance of the photovoltaic generator from a transmission path between the inverter and the decoupling means.
In einer Ausführungsform der Photovoltaikanlage kann das Auskoppelmittel als Parallelschwingkreis oder als Serienschwingkreis ausgeführt sein. Das Entkoppelmittel kann eine Kapazität umfassen, die parallel zu dem Photovoltaikgenerator zwischen den Gleichstromleitungen angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Entkoppelmittel eine Bandsperre umfassen, die in einer der Gleichstromleitungen angeordnet ist.In one embodiment of the photovoltaic system, the decoupling means may be designed as a parallel resonant circuit or as a series resonant circuit. The decoupling means may comprise a capacitance which is arranged in parallel with the photovoltaic generator between the DC lines. Alternatively or additionally, the decoupling means may comprise a bandstop filter which is arranged in one of the DC lines.
Figurenlistelist of figures
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
-
1 zeigt eine Photovoltaikanlage mit einem Wechselrichter, einem Photovoltaikgenerator und Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
2 zeigt ein Beispiel eines frequenzabhängigen Impedanzverlaufs einer Übertragungsstrecke zwischen dem Wechselrichter und dem Photovoltaikgenerator, -
3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms, und -
4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Photovoltaikanlage.
-
1 shows a photovoltaic system with an inverter, a photovoltaic generator and devices for carrying out the method according to the invention, -
2 shows an example of a frequency-dependent impedance curve of a transmission path between the inverter and the photovoltaic generator, -
3 shows an embodiment of the method according to the invention in the form of a flow chart, and -
4 shows a further embodiment of a photovoltaic system.
FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES
Der Wechselrichter
Das derart eingekoppelte Wechselspannungssignal wird über die Gleichstromleitungen
Der Frequenzverlauf einer Übertragungsfunktion für das Wechselspannungssignal hängt direkt vom frequenzabhängigen Verlauf der Impedanz der Übertragungsstrecke zwischen dem Einkoppelmittel
Das vom Einkoppelmittel
Der Wechselrichter
Das Spannungsmessmittel
An dem PV-Generator
Im oberen Teil der
Im unteren Teil der
Durch die Anordnung des Auskoppelmittels
In Schritt
Zur Erkennung von Kontaktfehlern in den Gleichstromleitungen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Photovoltaikanlagephotovoltaic system
- 1111
- Photovoltaikgeneratorphotovoltaic generator
- 12a, 12b12a, 12b
- GleichstromleitungenDC lines
- 1313
- Wechselrichterinverter
- 1414
- WechselspannungsnetzAC network
- 1515
- Einkoppelmittelcoupling means
- 15a15a
- WechselspannungsquelleAC voltage source
- 15b15b
- Übertragerexchangers
- 16 16
- Auskoppelmitteldecoupling
- 16a16a
- Induktivitätinductance
- 16b16b
- Kapazitätcapacity
- 16c16c
- Widerstandresistance
- 1717
- StrommessmittelCurrent measuring means
- 1818
- SpannungsmessmittelVoltage measuring means
- 1919
- EntkoppelmittelEntkoppelmittel
- 3030
- Impedanzverlaufimpedance curve
- 3131
- Kommunikationsfrequenzencommunication frequencies
- 3232
- Messfrequenzenmeasuring frequencies
- 4040
- Wechselrichterinverter
- 4141
- Photovoltaikgeneratorphotovoltaic generator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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